DE1613667A1 - Leistungsverstaerker - Google Patents

Description

; Dr.-Ing. Wililülm 1 -,-,':■■ ' DipHng. Wolfgang

P 16 13 667.7-32 ^ksim&e'wj ²⁰· März 1970

General Electric Company rfjj^fp Jf - ReK-M 4968

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, Ή.Y,,"USA

Leistungsverstärker .

Die Erfindung "betrifft einen Leistungsverstärker, dessen elektrische Ausgangsspannung einen nahezu sinusförmigen Verlauf hat, in der mittleren Amplitude veränderbar und in der Phase umkehrbar ist. Der Leistungsverstärker ist besonders zur Erzeugung einer synchronisierten Wechselspannung geeignet, wie sie zum Speisen von Zweiphasen-Stellmotoren und ähnlichen Verbrauchern verwendet wird, insbesondere wenn es auf kleinstes Gewicht, hohen Wirkungsgrad und niedrige Wärmeverluste ankommt.

Motoren in der Art von Zweiphasen-Xndüktionsmotoren benötigen von Natur aus eine sinusförmige Erregung. So geht derjenige ieil der Erregung, der vom sinusförmigen Verlauf abweicht, im allgemeinen als Wärme verloren, wodurch "nicht nur der Wirkungsgrad ,verschlechtert wird, sondern auch so-hohe Temperaturen erzeugt werden können, daß dadurch die'Einrichtung zerstört wird, sofern keine Einrichtungen zur Ableitung der Wärme vorgesehen sind. Nun ist^eiber insbesondere bei- Luftfahrzeugen und anderen beweglichen Einrichtungen unpraktisch, aufwendige und schwere Wärmeableiteinrichtungen zu verwenden.

Um also einen Stellmotor gu> betreiben, ist man bestrebt, eine möglichst sinusförmige Yerst^r^jcerausgängsspannung zu erhalten» Mit B~]?estkörper-YerQtärk&rn"fcommt man dem sinusförmigen Verlauf schon, ziemlich nahe, a^er. diese 'Verstärker erzeugen ihrerseits wieder eine starke litze* E*Verstärker haben zwar- einen ;

.wesentlich höheren Wirkungsgrad als A-Verstärker, ihre 'Lei-.stungstransistoren werden jedoch während des Betriebs ziemlieh lange in nur teilweise leitendem Zustand vom Strom durchflossen, so daß hohe Wärmeverluste entstehen, die den Wirkungsgrad verschlechtern und Wärmeableitprobleme mit sich bringen.

Man sieht also, daß die üblichen Anforderungen an Verstärker, insbesondere bei fahrbaren Einrichtungen, einen mögliehst hohen Wirkungsgrad, kleine Abmessungen und kleines Gewicht sowie höchste Zuverlässigkeit zu erzielen, äußerst schwer zu erfüllen sind, wenn ein sinusförmiger Verlauf der Ausgangsspannung verlangt wird.

Wenn ein hoher Wirkungsgrad in der Größenordnung von 90^c/3 gefordert wird, sind Magnetverstärker nicht als Leistungsverstärker geeignet, da ihre Ballastwiderstände gewöhnlich allein schon mehl als die Hälfte der zugeführten Leistung verbrauchen. Außerdem sind ihre Abmessungen und ihr Gewicht häufig zu groß.

Verstärker mit Sehalterbauelementen, z.B. steuerbaren Silieiumgleichrichtern, können mit sehr hohem Wirkungsgrad ^trieben" werden und ergeben außerdem leichte und kompakte G-ei&te. Die Kurvenform ihrer Ausgangsspannung ist jedoch nicht sinusförmig,¹ so daß sie im allgemeinen unbefriedigend für den Antrieb von ' Stellmotoren sind. Ferner hat es sich als schwierig-iind kostspielig herausgestellt, den Betrieb von Verstärkern.! die mit steuerbaren Gleichrichtern arbeiten, zuverlässig zu gestalten. Diese Bauelemente können von Storimpulsen gezündet werden*--während das Sperren eine Stromunterbreohung, erfordert, was ,sehr _i; schwer zu verwirklichen ist. -·- _■ ._:,.-;;.; _Λ::- λ-^^-S;:,,

Gemäß der Erfindung wird ein Verstärker geschaffen^ frei-dem LeistungstransistOren in Reihe geschaltet sind, die von-■Magnetverstärkern synchron mit der Frequenz der Speisewechsel-*

BAD

spannung, gesteuert werden. Es hat sich'herausgestellt, daß "bei geeigneter Wahl der Steuersignale sowohl der Wirkungsgrad der Transistoren als auch der der Motoren wesentlich verbessert werden kann. Es hat sich außerdem herausgestellt, daß kleine Magnetverstärker geeignete Schaltsignale liefern können. Da der Magnetverstärker keine Leistung , zu übertragen oder umzu-

. setzen hat, kann er ziemlich klein ausgebildet sein, ohne daß dadurch seine Zuverlässigkeit beeinträchtig-fc wird. Ein guter

. Wirkungsgrad des Leistungstransistors scheint das Vermeiden des normalerweise sprungartigen Ausschaltvorgangs am Ende einer Halbwelie oder eines sprungartigen Ausschaltvorgangs am Ende einer Halbwelle oder eines sprungartigen Einschaltvorgangs zu Beginn einer Halbwelle zu erfordern. Dies scheint automatisch Speisespannungen zur Folge zu haben, die, obwohl sie abgestumpfter oder abgehackter sind als zuvor, weitgehend wie rein sinusförmig in einem Zweiphasen-Motor wirken. ,

Die Erfindung.soll nun anhand ,der Zeichnungen näher beschrieben werden. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 ein Schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verstärkers und

FIg...2 ein Diagramm von Kurvenformen rmr Erläuterung der Wirkungsweise des Verstärkers nach Fig. 1.

Fig. 3 enthäit ein Diagramm einer anderen Kurvenform.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Schaltbild ist die Eingangsgröße ein Steuersignal aus einer Quelle 10, das der Reihe nach sättigbaren Transformatoren T^, T₂, T^ und T^ zugeführt wird, die als Magnetverstärker¹ wirken. Ihre Ausgangssignale schalten Transistoren CLj, Q₂, Q, und Q^, um die richtigen Schaltsignale für induktiv angekoppelte Leistungstransistoren Q=, Qg, Q₇ und

09824/0358

Qo zu erzeugen. Der Motor 100 ist ein Zweiphaseninduktionsmotor, dessen einer Phase eine Erregungsspannung zugeführt wird, die •konstante Amplitude und eine feste Phasenverschiebung von 90° gegenüber einer Speisewechselspannung aus einer Quelle 90 hat. Letztere ist ebenfalls fest, jedoch sorgen die Transistoren Q₅ bis Qo für eine Phasenumkehr und eine veränderbare Einschaltdauer,

so daß das Drehmoment und die Drehzahl- des Motors 100 geregelt werden.

Die Steuersignalquelle 10 ist ein herkömmlicher Regelverstärker, der das Steuersignal (die Stellgröße) in Abhängigkeit von einem (nicht gezeigten)Sollwertsignal und einem Rückführsignal vom Transformator Tg in an sich bekannter Weise erzeugt, um den sättigbaren Transformatoren T₁ - T, ein bipolares G-leichsignal mit veränderbarer.Amplitude zuzuführen. Um eine Integratiohswirkung zu erzielen, haben die Kerne der sättigbaren Transformatoren T₁ - T,angenähert rechteckförmige Hystereseschleifen. Den Transformatoren werden Rechteck-Signale zugeführt, die mit der Frequenz der Speisewechselspannung synchronisiert sind und mithin die gleiche Frequenz haben. Die den Transformatoren T₁ und T- zugeführten Rechteck-Signale sind in Phase und die den Transformatoren Tp und T₇, zugeführten Rechteck-Signale sind gegenüber den den Transformatoren T₁ und T~ zügeführten Signalen um 180 phasenverschoben. Den Transformatoren T₁ - T. wird außerdem ein-Yormagnetisierungs-Grleichstrom zugeführt, so daß die Transformatoren T₁ und Tp bei.Sollwert Null bei 90° zünden, (gesättigt werden). Wie aus den Kurvenformen der in Fig. 2 dargestellten Diagramme zu ersehen ist, steuern die Transformatoren T₁ und T₂ während der ersten Halbwelle und die Transformatoren T^ und T^ die zweite HaIbweHe. Diese Aufteilung der utcuorung tat oine l'olge der Verwendung von Dioden CR₁, CR₂, OR- und CR^, die in Reihe mit den jeweiligen Rechteck-Signalen liegen und derart gepolt sind, daß sie für diese Aufteilung sorgen. Die resultierenden Signale für diese Ilalbwellen werden jeweils

009824/0359

durch Verwendung von Reihenwiderständen R₁ und Rp, die. beide in Reihe mit dem Widerstand R^ liegen, um die Signale der Transformatoren T₁ und Tp zu summieren, und durch Verwendung von Widerständen R, und R.zusammen mit einem Widerstand Rg _:für die Transformatoren T^ und. I, und die zweite Halbwelle erzeugt.: .Bei Sollwertsignal -lull sind die TV- und Tp-Kurvenformen Va und Vg spiegelbildlich zueinander und heben sich gegenseitig in IoIge der Einstellung einer Konstantvormagnetisierungsstromquelle 11 auf. Wenn sich das Steuersignal ändert, verschiebt es den Zünd- oder Sättigungszeitpunkt von T₁ oder Tg · nach vorn und verzögert den anderen. Infolgedessen, ergibt sich je nach Polarität des Steuersignals ein positiver oder ein negativer Impuls V™ am Widerstand Er. Wenn sich die Polarität des Steuersignals umkehrt, vertauschen sich die Impulsbreiten von Va und V₀, und V_E wird erzeugt-. Der Impuls tritt in der Mitte der Halbwelle auf und hat eine Dauer,* die proportional der Amplitude des Steuersignals ist., . .,

Die Richtung des vom Motor 100 gelieferten Drehmoments wird durch" doppelpoliges Umschalten der Spetseweohselspannurig aus der Quelle90 gesteuert. Dies:erfolgt in der ersten Halbwelle durch wahlweises Einschalten des Transistors Qk Qder Q„« Diese TransistOren werden jeweils .von den Transformatoren T^ und T^ gesteuert. Durch Verbinden des positiven Pols einer Stromquelle über den Transformator T₁- und einen in Reihe liegenden NPlT-Transistör QV mit Masse oder Erde und durch Verbinden des negativen Pols einer Stromquelle über den TransformatOr T,- und einen in Reihe liegenden PHP-Transistor mit Masse oder Erde ergibt sich eine Schaltung zur Umwandlung des bipolaren Signals am Widerstand 'Hr in ein Zweidraht^Signal. Mihrt man die Spannung am Widerstand Rc den Basen beider Transistoren Q₁ und Qg zu, dann wird nur ein Transistor durchgesteuert. Dieser steuert'wiederum den zugehörigen Leistungstransistor Q- oder Q_n über den zwischengeschalteten Transformator durch.

009824/035*

. - 6 - . 1613867

Während der zweiten Hälbwelle-sind die Verhältnisse umgekehrt. Wenn das Rr-Signal positiv war, wird durch die Summierwiderst ande B, und R/ ein negatives Signal am Widerstand Rg erzeugt. Der Transistor■Q..wird durchgesteuert bzw. eingeschaltet, und der Transformator To steuert den Transistor Qg derart an, daß er dem Verbraucher während der zweiten Halbwelle, und zwar hinreichend lange, die Speisewechselspannung zuführt.

Due Dioden CR,-, CRg CR₇ und CR₈ sind mit entsprechenden Transistoren Q,- bis Qg in" Reihe geschaltet und so gepolt, daß sie den gewünschten Stromfluß ermöglichen. Bie Speisewechselspannung wird direkt den Leistungstransistoren Q,- bis Q₈ über einen, in Reihe liegenden Spartransformator Tq zugeführt, der für eine SpannungsVerdoppelung sorgt und mit einer Rückführwicklung versehen ist..Die hier dargestellte spezielle Ausführung wird von einer Standard^OO-Hertz-Dreiphasen-Stromversorgungseinrichtung gespeist. Eine Phase bildet die Wechselstr'omquelle 90, und die anderen Phasen sind mit den Anschlüssen für die feste Erregung verbunden, um eine gegenüber der von der Stromquelle 90 gelieferten Speisewechselspannung um 90° phasenverschobene Erregerspannung zu erzeugen;

Ein besonderes Merkmal der Erfindung wird darin gesehen, daß die Leistung in jeder Halbwelle, gesteuert von sättigbaren. Transformatoren, direkt geschaltet, wird. Bei 400 Hz haben die Halbwellen nur eine Dauer von 1 250 MikroSekunden, und es treten 1 600 Leistungsschaltvorgänge pro Sekunde auf. Es hat sich herausgestellt, daß Leistungstransistoren vom Typ 2Ή 1724 mit einem Wirkungsgrad von 95 °/° i» den beschriebenen Steuerschaltungen betrieben werden können.

QQ982W0359

. ' ; 1612667

Die symmetrische Kurvenform der Ausgangsspannung -T₀ nähert sich einer Sinuskurve bei voller Leistung) was eine minimale Motorerwärmung zur FoIge hat. Es hat'sich auch gezeigt, daß · bei niedriger Leistung nur eine geringeMotorerwärmung auftritt, was eine Folge, der symmetrischen Kurvenform zu siin scheint. Fig. 3 zeigt eine-andere symmetrische Kurvenform für V₀, die ähnliche Eigenschaften hat* Eine wichtige Eigenschaft der Kurvenform besteht darin, daß keine-schnellen oder steilen Bulldurchgänge auftreten. In keinem Falle schließt sich an das Ausschalten bzw. Sperren eines Leistungstransistors unmittelbar ein starker Strom in entgegengesetzter Richtung an. Dadurch können sich die Transistoren von einem starkleitenden Zustand wieder erholen, so daß keine wesentlichen Rückstromverluste auf treten. · .

Anhand der Erläuterung zu dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ·■ ist es dem" Fachmann nahegelegt, viele Abwandlungen und Änderungen vorzunehmen. So könnten die SchaItsignale beispielsweise von transistorisierten Schaltungen, die auf das Steuersignal ansprechen, anstelle von sättigbaren Transformatoren, die in ähnlicher Weise wie Magnetverstärker arbeiten, erzeugt werden*

(TQ 90 24/03 50

Claims (4)

161366?

Ansprüche

1 . Leistungsverstärker, der mit Wechselstrom gespeist wird, ge kennzeichnet'.durch eine Gruppe in Reihe geschalteter Leistungsschalter (Qt- - Qg) > clie derart ange-· ordnet und geschaltet sind, daß sie die Speisewechselspannung einem Verbraucher (100) umkehrbar zuschalten und den Betrag der den Verbrauchern zugeführten Speisewechselspannung verändern, ferner durch mehrere Impulsgeneratoren (Q^ - Q-) zum wahlweisen Einschalten vorbestimmter Leistungsschalter mit veränderbarer Dauer, durch eine zyklische Steueranordnung (Tq; 10; 11), der ein Signal zum Synchronisieren mit der Speisewechselspannung zugeführt wird, und durch mehrere integrierende Bauelemente (T- - T.) in zyklischer Steueranordnung zur in Bezug auf die Zeit symmetrischen Betätigung der Impulsgeneratoren in Abhängigkeit you einem bipolaren Steuersignal veränderbaren Amplitude während jeder ■Halbwelle.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurchgekennz e i c hn et, daß die Leistungsschalter vier Leistungstransistoren (Q₅ - Qq) sind und die ImpulsgeneratOren nach Betätigung durch die Steueranordnung in der Lage sind, die Leistungstransistoren in den voll leitenden Zustand zu steuern.

3. Verstärker nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn ze i c h η e t, daß die Integratoren sättigbare Transformatoren (T^ - T.) enthalten, die in der Lage sind, die Impulsgeneratoren während jeder Halbwelle der Speisewechselspannung in symmetrischen Zeitabschnitten zu betätigen.

009824/0359

4. Verstärker nach Anspruch 3j d a d u r c h g e k e η η zeichnet , daß die Leistungsschalter zwei Transistoren (Qp- oderQy), die in der Lage sind, jeweils eine Stromversorgungsleitung mit einer Verbraucherleitung'zu verbinden, und zwei weitere Transistoren (Qg oder Q_Q) enthalten, die in der Lage sind, jeweils eine Stromversorgungsleitung mit dem zweiten Verbraucheranschluß zu verbinden, derart, daß eine Phasenumkehr möglich ist, daß die Impulsgeneratoren die Transistoren wahlweise in den leitenden Zustand (eingeschalteten Zustand) ' steuern, und zwar mit veränderbarer Dauer, die gleich der Dauer der Eingangssteuerimpulse ist, und daß die zyklische Steueranordnung eine Konstantvormagnetisierungsstromquelle (11) in Reihe mit den Transformatoren enthält,- so daß zwei Transformatoren (T.« , T₂) in der Mitte einer Halbwelle den Sättigungszustand.erreichen und zwei weitere Transformatoren (T,, T.) den Sättigungszustand in der Kitte der anderen Halbwelle erreichen. . ·- ■

Leerseite